1、宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 1 頁(yè) 摘要摘要 基于專業(yè)虛擬儀器開(kāi)發(fā)工具 labview，設(shè)計(jì)了一虛擬函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。該虛擬 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、鋸齒波等波形，頻率動(dòng)態(tài)范圍較 寬且可微調(diào)。 labview（laboratory virtual instrument engineering）是一種圖形化的編程語(yǔ)言， 它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器 控制軟件。labview 集成了與滿足 gpib、vxi、rs-232 和 rs-485 協(xié)議的硬件及 數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能。它還內(nèi)置了便于應(yīng)用 tcp/ip、activex 等軟件標(biāo)

2、準(zhǔn)的 庫(kù)函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器， 其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。 圖形化的程序語(yǔ)言，又稱為“”語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫(xiě)程 序代碼，取而代之的是流程圖或流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程 師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此，labview 是一個(gè)面向最終用戶的工具。它 可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提 高工作效率。 利用 labview，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的位編譯器。 像許多重要的

3、軟件一樣，labview 提供了 windows、unix、linux、macintosh 的 多種版本。 虛擬儀器的主要特點(diǎn)有： 1.盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。 2.可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀 器。 3.用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器 關(guān)鍵詞：labview 示波器 函數(shù)發(fā)生器 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 目錄目錄 一設(shè)計(jì)要求與任務(wù)一設(shè)計(jì)要求與任務(wù).5 1.1.選題的性質(zhì)與目的.5 1.2 具體要求與任務(wù).5 二虛擬儀器概述二虛擬儀器概述.5 2.1.虛擬儀器的概念.5 2.2 虛擬儀器的構(gòu)成.6 2.3 虛

4、擬儀器的優(yōu)點(diǎn).8 2.4 虛擬儀器的現(xiàn)狀.10 2.5 虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì).11 三三. 信號(hào)處理與分析信號(hào)處理與分析.12 3.1概述.12 3.2數(shù)字信號(hào)處理數(shù)字信號(hào)處理.15 3.2.1fft 變換.15 3.2.2 窗函數(shù).15 3.3諧波失真與頻譜分析.16 3.3.1 數(shù)字濾波.17 3.3.2 iir 和 fir 濾波器 .19 3.3.3 曲線擬合.20 四四 虛擬示波器的原理虛擬示波器的原理.21 4.1 低頻信號(hào)發(fā)生器及其應(yīng)用.21 4.2 低頻信號(hào)發(fā)生器的工作原理.22 五信號(hào)發(fā)生器的五信號(hào)發(fā)生器的 vi 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì).22 5.1 信號(hào)發(fā)生器的前面板.22 5.2 信號(hào)發(fā)生

5、器的程序框圖.23 5.3 信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn).23 六六 虛擬示波器的原理虛擬示波器的原理.25 6.1 示波器波形顯示原理.26 6.2 通用示波器的組成部分.26 6.3 數(shù)字示波器的基本原理.31 6.3.1 數(shù)字示波器基本原理.31 6.3.2 數(shù)字示波器基本方框圖.32 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 6.4 虛擬示波器的工作原理.33 七虛擬濾波器的七虛擬濾波器的 vi 設(shè)計(jì)設(shè)計(jì).35 7.1 虛擬濾波器的前面板.35 7.2 虛擬示波器的程序框圖.36 7.3 示波器實(shí)驗(yàn).36 八小結(jié)八小結(jié).40 九九.參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：.41 十致謝十致謝.42 前前 言言 虛擬儀器（vi

6、rtual instrumention）是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì) 算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大 以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng) 的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托， 實(shí)現(xiàn)各種儀器功能 labview（laboratory virtual instrument engineering）是一種圖形化的編程語(yǔ)言， 它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受

7、，視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器 控制軟件。 利用 labview，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的位編譯 器。像許多重要的軟件一樣，labview 提供了 windows、unix、 linux、macintosh 的多種版本。 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 5 頁(yè) 一設(shè)計(jì)要求與任務(wù) 1.1.選題的性質(zhì)與目的選題的性質(zhì)與目的 用 lab view 構(gòu)建一個(gè)虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)仿真函數(shù)發(fā)生器和虛擬雙蹤示波器。 從現(xiàn)實(shí)的意義上來(lái)說(shuō)，在高等工程教育中采用虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以從根本上解決 實(shí)驗(yàn)與實(shí)習(xí)經(jīng)費(fèi)嚴(yán)重短缺問(wèn)題。作為傳統(tǒng)電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，使學(xué)生初步掌握仿 真軟件技術(shù)，可使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容緊密聯(lián)系課本內(nèi)容，比

8、較全面地概括和反映部分所學(xué)的 知識(shí)點(diǎn)，將課程內(nèi)容具體化。 同時(shí)，利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器設(shè)備的遠(yuǎn)程與分布式控制。一方面繼承實(shí) 物實(shí)驗(yàn)可操作性和參與性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，另一方面又可利用計(jì)算機(jī)優(yōu)勢(shì)，發(fā)揮其直觀、 動(dòng)態(tài)模擬、迅速準(zhǔn)確、資源共享、資金投入少等特點(diǎn)，從而建立一種新型的實(shí)驗(yàn)教 學(xué)方式，進(jìn)一步提高教學(xué)效率。 1.2 具體要求與具體要求與任務(wù)任務(wù) 學(xué)習(xí) labview 的軟件的基本功能及適用。 制作簡(jiǎn)單的 vi，熟悉 labview 的使用。 復(fù)習(xí)相關(guān)知識(shí)，信號(hào)發(fā)生器、濾波器原理。 設(shè)計(jì)仿真程序 信號(hào)發(fā)生器的前面板、框圖程序 虛擬示波器的前面板、框圖程序。 二虛擬儀器概述 2.1.虛擬儀器的概念虛擬

9、儀器的概念 虛擬儀器是指通過(guò)應(yīng)用程序?qū)⒂?jì)算機(jī)、軟件的功能模塊和儀器硬件結(jié)合起來(lái)， 用戶可以通過(guò)友好的圖形界面（通常叫做虛擬前面板，簡(jiǎn)稱前面板）來(lái)操作這臺(tái)計(jì) 算機(jī)就像在操作自己定義、自己設(shè)計(jì)的一臺(tái)個(gè)人儀器一樣，從而完成對(duì)被測(cè)信號(hào)的 采集、分析、判斷、顯示、數(shù)字存儲(chǔ)等。虛擬儀器以透明的方式，通過(guò)軟件對(duì)數(shù)據(jù) 的分析處理、表達(dá)以及圖形化用戶接口，把計(jì)算機(jī)資源（如微處理器、顯示器等） 和儀器硬件（如 a/d、d/a、數(shù)字 i/o、定時(shí)器、信號(hào)調(diào)理等）的測(cè)試能力和控制能 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 6 頁(yè) 力結(jié)合起來(lái)。虛擬一起突破了傳統(tǒng)儀器以硬件為主體的模式，實(shí)際上使用者是在操 作具有測(cè)試軟件的電子計(jì)算機(jī)

10、進(jìn)行測(cè)量，猶如操作一臺(tái)虛設(shè)的電子儀器。 虛擬儀器技術(shù)的實(shí)質(zhì)是充分利用最新的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功 能。軟件是虛擬儀器的關(guān)鍵，當(dāng)基本硬件確定以后，就可以通過(guò)不同的軟件實(shí)現(xiàn)不 同的功能。用戶可以根據(jù)自己的需要，設(shè)計(jì)自己的儀器系統(tǒng)，滿足多種多樣的應(yīng)用 要求。利用計(jì)算機(jī)豐富的軟、硬件資源，可以大大突破傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)的分析、處 理、表達(dá)、傳遞、存儲(chǔ)等方面的限制，達(dá)到傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的效果。它不僅可以 用于電子測(cè)量、測(cè)試、分析、計(jì)量等領(lǐng)域，而且還可以用于進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)控以及工 業(yè)過(guò)程自動(dòng)化。虛擬儀器還可以廣泛用于電力工程、物礦勘探、醫(yī)療、振動(dòng)分析、 聲學(xué)分析、故障診斷及教學(xué)科研等多個(gè)方面。 2.

11、2 虛擬儀器的構(gòu)成虛擬儀器的構(gòu)成 虛擬儀器從構(gòu)成要素上講，由計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件和儀器硬件等構(gòu)成；從構(gòu)成分 式上講則由以 daq 板和信號(hào)調(diào)理為儀器硬件而組成的 pc-daq 測(cè)試系統(tǒng)，或已 gpib，vxi，serial 和 field bus 等標(biāo)準(zhǔn)總線儀器為硬件組成的 gpib 系統(tǒng)、vxi 系 統(tǒng)、串口系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)等多種形式。虛擬儀器的構(gòu)成如圖 1.1 所示。 目前，虛擬儀器的構(gòu)成方式有以下幾種： （1）pc-daq 插卡式的 vi 這種方式用數(shù)據(jù)采集卡配以計(jì)算機(jī)平臺(tái)和虛擬儀器軟件，便可構(gòu)成各種數(shù)據(jù)采 集和虛擬儀器系統(tǒng)。它充分利用了計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源以及軟件的便利，其 關(guān)鍵在于

12、 a/d 轉(zhuǎn)換技術(shù)。這種方式受 pc 機(jī)機(jī)箱、總線限制，存在電源功率不足， 機(jī)箱內(nèi)噪聲電平較高、無(wú)屏障，插槽數(shù)目不多、尺寸較小等缺點(diǎn)。隨著基于 pc 的 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，pc-daq 方式存在的缺點(diǎn)已經(jīng)和正在被克服。因個(gè)人計(jì) 算機(jī)數(shù)目非常龐大，插卡式儀器價(jià)格便宜，因此其用途廣泛，特別適用于工業(yè)測(cè)控 現(xiàn)場(chǎng)、各種實(shí)驗(yàn)室和教學(xué)部門(mén)使用。 （2）并行口式的 vi 最新發(fā)展的可連接到計(jì)算機(jī)并行口的測(cè)試裝置，其硬件集成在一個(gè)采集盒里或 探頭上，軟件裝在計(jì)算機(jī)上，可以完成各種 vi 功能。它的最大好處是可以與筆記 本計(jì)算機(jī)相連，方便野外作業(yè)，又可與臺(tái)式 pc 相連，實(shí)現(xiàn)臺(tái)式和便攜式兩用，非 宿遷學(xué)

13、院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 常方便。 （3）gpib 總線方式的 vi gpib（general purpose interface bus）技術(shù)是 ieee488 標(biāo)準(zhǔn)的 vi 早期的發(fā) 展階段。它的出現(xiàn)使電子測(cè)量由獨(dú)立的單臺(tái)的手工操作向大規(guī)模自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展。 典型的 gpib 系統(tǒng)由一臺(tái) pc 機(jī)，一塊 gpib 接口卡和若干臺(tái) gpib 儀器通過(guò) gpib 電 纜連接而成。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，一塊 gpib 接口卡可帶多達(dá) 14 臺(tái)的儀器，電纜長(zhǎng)度可 達(dá) 20m。 gpib 技術(shù)可以用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的操作和控制，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工操作方式， 很方便的把多臺(tái)機(jī)器組合起來(lái)，形成大的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

14、gpib 測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和命 令簡(jiǎn)單，造價(jià)較低，主要市場(chǎng)在臺(tái)式儀器市場(chǎng)。適用于精確度要求高，但對(duì)計(jì)算機(jī) 速率要求和總線控制實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合應(yīng)用。 （4）vxi 總線方式的 vi vxi 總線是 vmebus extension for instrumentation 的縮寫(xiě)，是高速計(jì)算機(jī)總 線 vme 在 vi 領(lǐng)域的擴(kuò)展，有穩(wěn)定的電源，強(qiáng)有力的冷卻能力和嚴(yán)格的 rfi/emi 屏 蔽。由于它的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)放，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、數(shù)據(jù)吞吐能力強(qiáng)、定時(shí)和同步精確、模 塊可重復(fù)利用、眾多儀器廠家支持的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展， vxi 系統(tǒng)的組建和使用越來(lái)越方便，有其他儀器無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，適

15、用于組建大、 中規(guī)模自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)以及對(duì)速度、精度要求高的場(chǎng)合，但 vxi 系統(tǒng)要求有專用的機(jī) 箱、零槽管理器及嵌入式控制器，造價(jià)比較高。 （5）pxi 總線形式的 vi pxi 總線是 pci extension for instrumentation 的縮寫(xiě)，是 pci 在 vi 領(lǐng)域 的擴(kuò)展。這種新型模塊化儀器系統(tǒng)是在 pci 總線內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范 和要求形成的，具有多板同步觸發(fā)、精確定時(shí)的星形觸發(fā)、相鄰模塊間高速通訊的 局部總線以及高度的可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，適用于大型高精度集成系統(tǒng)。 （6）網(wǎng)絡(luò)接口方式的 vi 盡管 internet 技術(shù)最初并沒(méi)有考慮如何將嵌入式智能儀器設(shè)備

16、連接在一起， 不過(guò) ni 等公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了通過(guò) web 瀏覽器觀測(cè)這些嵌入式儀器設(shè)備的產(chǎn)品，使人 們可以通過(guò) internet 操作儀器設(shè)備。根據(jù)虛擬儀器的特性，我們能夠方便的將虛 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 8 頁(yè) 擬儀器組成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將分散在不同地理位置不同功能的設(shè)備聯(lián) 系在一起，使昂貴的硬件設(shè)備、軟件在網(wǎng)絡(luò)上得以共享，減少了設(shè)備重復(fù)投資。現(xiàn) 在，有關(guān) mcn（measurement and control networks ）方面的標(biāo)準(zhǔn)正在積極進(jìn)行， 并取得一定的進(jìn)展。由此可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器將具有廣泛的應(yīng)用前景。 （7）usb 接口方式的 vi universal se

17、rial bus（usb）因?yàn)槠湓?pc 機(jī)上的廣泛使用、即插即用的易用 性和 usb2.0 高達(dá) 480mbits/s 的傳輸速率，逐漸的成為儀器控制的主流總線技術(shù)。 現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上的 usb 接口越來(lái)越多，也使得工程師可以很方便的將基于 usb 的測(cè)量 儀器連接到整個(gè)系統(tǒng)中。但是 usb 在儀器控制方面上亦有一些缺點(diǎn)。比如說(shuō) usb 的 排線沒(méi)有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)格，在惡劣的環(huán)境下，可能造成數(shù)據(jù)的丟失，此外，usb 對(duì) 排線的距離也有一定的限制。 無(wú)論哪種 vi 系統(tǒng)，都是將儀器硬件搭載到筆記本電腦，臺(tái)式微機(jī)和工作站等 各種計(jì)算機(jī)平臺(tái)加上應(yīng)用軟件而構(gòu)成的。 顯示器 信號(hào)分析及處理器入機(jī)接口各類接口

18、 a/d 轉(zhuǎn) 換器 數(shù)據(jù) 發(fā)生器 信號(hào) 調(diào)理器 信號(hào) 調(diào)理器 輸入 信號(hào) d/a 轉(zhuǎn) 換器 信號(hào) 調(diào)理器 信號(hào) 輸出 圖 2-1 虛擬儀器的結(jié)構(gòu) 2.3 虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn) 一臺(tái)性能優(yōu)良的虛擬儀器不僅可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的大部分功能，而且在許多方 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 9 頁(yè) 面有傳統(tǒng)儀器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如使用靈活方便、功能豐富、價(jià)格低廉、可一機(jī)多 用、可重復(fù)開(kāi)發(fā)等。與傳統(tǒng)儀器相比虛擬儀器主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)： （1）融合了計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的硬件資源，突破了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、存 儲(chǔ)等方面的限制，大大增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。而且高性能處理器、高分辨率顯示 器、大容量硬盤(pán)等已成為虛擬儀器

19、的標(biāo)準(zhǔn)配置。 （2）利用計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源，一方面，實(shí)現(xiàn)了部分儀器硬件的軟件話， 節(jié)省了物質(zhì)資源，增加了系統(tǒng)的靈活性；一方面，通過(guò)軟件技術(shù)和相應(yīng)的數(shù)值算法、 實(shí)時(shí)、直接的對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析和處理；另一方面，通過(guò)圖形用戶界面 （graph user interface）技術(shù)，真正做到界面友好，人機(jī)交互。 （3）基于計(jì)算機(jī)總線和模塊化儀器總線，使儀器的硬件實(shí)現(xiàn)了模塊化、系列 化，大大縮小了系統(tǒng)的尺寸，可方便的構(gòu)建模塊化儀器（instrument on a card） 。 （4）基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和接口技術(shù)，使 vi 系統(tǒng)具有方便、靈活的互聯(lián)能力， 廣泛支持諸如 can，field bus，p

20、rofibus 等各種工業(yè)總線標(biāo)準(zhǔn)。因此，利用 vi 技 術(shù)可方便的構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)（ats，automatic test system） ，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制 過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)化。 （5）基于計(jì)算機(jī)的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。虛擬儀器的硬、軟件都具有開(kāi)放性、 模塊化、可重復(fù)使用及互換性等特點(diǎn)。因此，用戶可以根據(jù)自己的需要選擇不同廠 家的產(chǎn)品，使儀器系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更為靈活、效率更高，縮短了系統(tǒng)組建和維修的時(shí)間。 下表是虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較。 表 1-1 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較 虛擬儀器傳統(tǒng)儀器 開(kāi)放、靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持同步發(fā)展封閉性、儀器間相互配合較差 關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級(jí)方便，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載 升級(jí)

21、程序即可。 關(guān)鍵是硬件，升級(jí)成本較高，且升級(jí)必須上門(mén) 服務(wù)。 價(jià)格低廉，儀器間資源可重復(fù)利用率高價(jià)格昂貴，儀器間一般無(wú)法相互利用 用戶可定義儀器功能只有廠家能定義儀器功能 可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便互連與其他設(shè)備儀器的連接十分有限 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 軟件使得開(kāi)發(fā)和維護(hù)費(fèi)用降至最低開(kāi)發(fā)和維護(hù)開(kāi)銷高 技術(shù)更新周期短（1-2 年）技術(shù)更新周期長(zhǎng)（5-10 年） 數(shù)據(jù)可編輯、存儲(chǔ)、打印數(shù)據(jù)無(wú)法編輯 2.4 虛擬儀器的現(xiàn)狀虛擬儀器的現(xiàn)狀 虛擬儀器技術(shù)目前在國(guó)外發(fā)展很快，以美國(guó)國(guó)家儀器公司（ni 公司）為代表的 一批廠商已經(jīng)在市場(chǎng)上推出了基于虛擬儀器技術(shù)而設(shè)計(jì)的商品化儀器產(chǎn)品。近年來(lái)，

22、世界各國(guó)的虛擬儀器公司開(kāi)發(fā)了不少虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件，以便使用者利用這些 公司提供的開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件組建自己的虛擬儀器或測(cè)試系統(tǒng)，并編制測(cè)試軟件。最早 和最具有影響力的開(kāi)發(fā)軟件，是 ni 公司的 labview 軟件和 lab windows/cvi 開(kāi)發(fā) 軟件。labview 采用圖形化編程方案，是非常實(shí)用的開(kāi)發(fā)軟件。lab windows/cvi 是為熟悉 c 語(yǔ)言的開(kāi)發(fā)人員準(zhǔn)備的、在 windows 環(huán)境下的標(biāo)準(zhǔn) ansi c 開(kāi)發(fā)環(huán)境， 除了上述優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)軟件之外，美國(guó) hp 公司的 hp-vee 和 hptig 平臺(tái)軟件，美國(guó) tektronix 公司的 ez-test 和 tek-tn

23、s 軟件，以及美國(guó)的 hem data 公司的 snap- master 平臺(tái)軟件，也是國(guó)際上公認(rèn)的優(yōu)秀虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)軟件。當(dāng)今虛擬儀器的 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的 rs232 串行總線、gpib 通用接口總線、vxi 總線， 以及已經(jīng)被 pc 機(jī)廣泛采用的 usb 串行總線和 ieee1394 總線（即 fire wire，也叫 做火線） 。世界各國(guó)的公司，特別是美國(guó) ni 公司，為使虛擬儀器能夠適應(yīng)上述各種 總線的配置，開(kāi)發(fā)了大量的軟件以及適應(yīng)要求的硬件（插件） ，可以靈活的組建不 同復(fù)雜程度的虛擬儀器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。虛擬儀器開(kāi)發(fā)商不僅注意使虛擬儀器能夠適 應(yīng)各種通用計(jì)算機(jī)總線系統(tǒng)，使

24、之為虛擬儀器服務(wù)，而且也注意建立各種儀器專用 的總線系統(tǒng)。美國(guó) ni 公司在 1997 年 9 月 1 日推出模塊化儀器的主流平臺(tái) pxi，這 是與 compact pci 完全兼容的系統(tǒng)。這種虛擬儀器模塊化主流平臺(tái) pxi/compact pci 的傳輸速度已經(jīng)達(dá)到 100mb/s。是目前已經(jīng)發(fā)布的最高傳輸速度。虛擬儀器的 開(kāi)發(fā)廠家，為擴(kuò)大虛擬儀器的功能，在測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理、表達(dá)模塊及其變換方 面也做了很多工作，發(fā)布了各種軟件，建立了數(shù)據(jù)處理的高級(jí)分析庫(kù)和開(kāi)發(fā)工具庫(kù) （例如測(cè)量結(jié)果的譜分析、快速傅立葉變換、各種數(shù)據(jù)濾波器、卷積處理和相關(guān)函 數(shù)處理、微積分、峰值和閾值檢測(cè)、波形發(fā)生噪聲發(fā)生、

25、回歸分析、數(shù)值運(yùn)算、時(shí) 域和頻域分析等） ，使虛擬儀器發(fā)展成為可以組建極為復(fù)雜自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的儀器系 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 11 頁(yè) 統(tǒng)。 在國(guó)內(nèi)已有部分院校的實(shí)驗(yàn)室引入了虛擬儀器系統(tǒng)，上海復(fù)旦大學(xué)、上海交通 大學(xué)、廣州暨南大學(xué)、華中理工大學(xué)、四川聯(lián)合大學(xué)等。近一、兩年來(lái)這些學(xué)校在 原有的基礎(chǔ)上，又開(kāi)發(fā)了一批新的虛擬儀器系統(tǒng)用于教學(xué)和科研。其中，華中理工 大學(xué)機(jī)械學(xué)院工程測(cè)試實(shí)驗(yàn)室將其開(kāi)發(fā)成果在網(wǎng)上公開(kāi)展示。四川聯(lián)合大學(xué)的教師 基于虛擬儀器的設(shè)計(jì)思想，研制了“航空電臺(tái)二線綜合測(cè)試儀”將 8 臺(tái)儀器集成于 一體，組成虛擬儀器系統(tǒng)，使用方便、靈活。清華大學(xué)利用虛擬儀器技術(shù)構(gòu)建的汽 車發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)

26、系統(tǒng)，用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的出廠檢驗(yàn)。主要檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的功率特性、負(fù) 荷特性等。一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)完后，就可打印出完整的檢測(cè)報(bào)告。此外，國(guó)內(nèi)已有幾 家企業(yè)在研制 pc 虛擬儀器，哈工大儀器王電子有限責(zé)任公司就是其中之一，它的 產(chǎn)品已達(dá)到一定的批量。其主要產(chǎn)品有數(shù)字存儲(chǔ)示波器系列、任意波形發(fā)生器及頻 率計(jì)系列、多通道大容量波形記錄系列。國(guó)內(nèi)專家預(yù)測(cè)：未來(lái)幾年內(nèi)，我國(guó)將有 50%的儀器為虛擬儀器。國(guó)內(nèi)將有大批企業(yè)使用虛擬儀器系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀 況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 2.5 虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì)虛擬儀器的發(fā)展趨勢(shì) 虛擬儀器正在繼續(xù)迅速發(fā)展。它可以取代測(cè)量技術(shù)在傳統(tǒng)領(lǐng)域的各類儀器。虛 擬儀器在組成和改變儀器的功能和

27、技術(shù)性能方面具有靈活性和經(jīng)濟(jì)性，因而特別適 應(yīng)于當(dāng)代科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展和科學(xué)研究不斷深化所提出的更高跟新的測(cè)量課題和測(cè) 量需要。 “沒(méi)有測(cè)量就沒(méi)有鑒別，科學(xué)技術(shù)就不能前進(jìn)。 ”虛擬儀器將會(huì)在科學(xué)技術(shù) 的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 圖形化編程平臺(tái)的進(jìn)一步發(fā)展和完善是虛擬儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。如何使 用戶進(jìn)行少量的學(xué)習(xí)甚至不需要學(xué)習(xí)就可使用功能強(qiáng)大的虛擬儀器，如何使用構(gòu)成 簡(jiǎn)單的虛擬儀器系統(tǒng)并完成復(fù)雜的測(cè)試內(nèi)容，如何幫助用戶對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析和 判斷等內(nèi)容，是虛擬儀器技術(shù)努力的方向。我國(guó)還基本處于傳統(tǒng)儀器與計(jì)算機(jī)化儀 器互相分離的狀態(tài)，世界各大相關(guān)的產(chǎn)品商家都在向中國(guó)這個(gè)巨大的市場(chǎng)進(jìn)軍。結(jié) 合我國(guó)的

28、實(shí)際情況，我們必須走引進(jìn)與自行開(kāi)發(fā)相結(jié)合的道路。一方面，大力引進(jìn) 國(guó)外虛擬儀器方面的生產(chǎn)技術(shù)；另一方面，發(fā)展基于計(jì)算機(jī)的插卡式硬件模塊為主 的測(cè)控技術(shù)，發(fā)展圖形化平臺(tái)的軟件產(chǎn)品，充分利用我們現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)及測(cè)控技術(shù) 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 12 頁(yè) 硬件，縮短與國(guó)際先進(jìn)水平的差距。 vxi 總線將成為未來(lái)虛擬儀器的理想硬件平臺(tái)，這是由 vxi 總線的性能決定的； 另一方面，基于 pci-daq 的虛擬儀器系統(tǒng)由于性價(jià)比高、靈活性好而受到大多數(shù)用 戶的青睞，將得到高速的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，虛擬儀器 將向高性能、多功能、集成化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。 三. 信號(hào)處理與分析 3.1

29、概述概述 數(shù)字信號(hào)在我們周圍無(wú)所不在。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)具有高保真、低噪聲和便于信號(hào) 處理的優(yōu)點(diǎn)，所以得到了廣泛的應(yīng)用，例如電話公司使用數(shù)字信號(hào)傳輸語(yǔ)音，廣播、 電視和高保真音響系統(tǒng)也都在逐漸數(shù)字化。太空中的衛(wèi)星將測(cè)得數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)的 形式發(fā)送到地面接收站。對(duì)遙遠(yuǎn)星球和外部空間拍攝的照片也是采用數(shù)字方法處理， 去除干擾，獲得有用的信息。經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、人口普查結(jié)果、股票市場(chǎng)價(jià)格都可以采用 數(shù)字信號(hào)的形式獲得。因?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理具有這么多優(yōu)點(diǎn)，在用計(jì)算機(jī)對(duì)模擬信號(hào) 進(jìn)行處理之前也常把它們先轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。本章將介紹數(shù)字信號(hào)處理的基本知識(shí)， 并介紹由上百個(gè)數(shù)字信號(hào)處理和分析的 vi 構(gòu)成的 labview 分析

30、軟件庫(kù)。 目前，對(duì)于實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)，高速浮點(diǎn)運(yùn)算和數(shù)字信號(hào)處理已經(jīng)變得越來(lái)越重要。 這些系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)處理、語(yǔ)音識(shí)別、數(shù)字音頻和圖像處理等各種 領(lǐng)域。數(shù)據(jù)分析的重要性在于，無(wú)法從剛剛采集的數(shù)據(jù)立刻得到有用的信息，如下 圖所示。必須消除噪音干擾、糾正設(shè)備故障而破壞的數(shù)據(jù)，或者補(bǔ)償環(huán)境影響，如 溫度和濕度等。 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) 通過(guò)分析和處理數(shù)字信號(hào)，可以從噪聲中分離出有用的信息，并用比原始數(shù)據(jù) 更全面的表格顯示這些信息。下圖顯示的是經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)曲線。 用于測(cè)量的虛擬儀器(vi) 用于測(cè)量的虛擬儀器(vi)執(zhí)行的典型的測(cè)量任務(wù)有： 計(jì)算信號(hào)中存在的總的諧波失真。

31、決定系統(tǒng)的脈沖響應(yīng)或傳遞函數(shù)。 估計(jì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，例如上升時(shí)間、超調(diào)量等等。 計(jì)算信號(hào)的幅頻特性和相頻特性。 估計(jì)信號(hào)中含有的交流成分和直流成分。 在過(guò)去，這些計(jì)算工作需要通過(guò)特定的實(shí)驗(yàn)工作臺(tái)來(lái)進(jìn)行，而用于測(cè)量的虛擬 儀器可以使這些測(cè)量工作通過(guò) labview 程序語(yǔ)言在臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行。這些用于測(cè)量的 虛擬儀器是建立在數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理的基礎(chǔ)之上，有如下的特性： 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 14 頁(yè) 輸入的時(shí)域信號(hào)被假定為實(shí)數(shù)值。 輸出數(shù)據(jù)中包含大小、相位，并且用合適的單位進(jìn)行了刻度，可用來(lái)直接進(jìn)行 圖形的繪制。 計(jì)算出來(lái)的頻譜是單邊的，范圍從直流分量到 nyquist 頻率(二分之一

32、取樣頻 率)。 （即沒(méi)有負(fù)頻率出現(xiàn)） 需要時(shí)可以使用窗函數(shù)，窗是經(jīng)過(guò)刻度地，因此每個(gè)窗提供相同的頻譜幅度峰 值，可以精確地限制信號(hào)的幅值。 一般情況下，可以將數(shù)據(jù)采集 vi 的輸出直接連接到測(cè)量 vi 的輸入端。測(cè)量 vi 的輸出又可以連接到繪圖 vi 以得到可視的顯示。 有些測(cè)量 vi 用來(lái)進(jìn)行時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換，例如計(jì)算幅頻特性和相頻特性、 功率譜、網(wǎng)路的傳遞函數(shù)等等。另一些測(cè)量 vi 可以刻度時(shí)域窗和對(duì)功率和頻率進(jìn) 行估算 其中共有 6 個(gè)分析 vi 庫(kù)。其中包括： 信號(hào)發(fā)生：用于產(chǎn)生數(shù)字特性曲線和波形。 時(shí)域分析：用于進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換、頻域分析等。 頻域分析 測(cè)量函數(shù)：用于執(zhí)行各種測(cè)量功能，

33、例如單邊 fft、頻譜、比例加窗以 及泄漏頻譜、能量的估算。 數(shù)字濾波器：用于執(zhí)行 iir、fir 和非線性濾波功能。 窗函數(shù)：用于對(duì)數(shù)據(jù)加窗。 信號(hào)的產(chǎn)生 本節(jié)將介紹怎樣產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)頻率的信號(hào)，以及怎樣創(chuàng)建模擬函數(shù)發(fā)生器。 使用分析庫(kù)中的信號(hào)發(fā)生 vi 產(chǎn)生各種類型的信號(hào)。信號(hào)產(chǎn)生的應(yīng)用主要有： 當(dāng)無(wú)法獲得實(shí)際信號(hào)時(shí)， （例如沒(méi)有 daq 板卡來(lái)獲得實(shí)際信號(hào)或者受限制無(wú)法 訪問(wèn)實(shí)際信號(hào)） ，信號(hào)發(fā)生功能可以產(chǎn)生模擬信號(hào)測(cè)試程序。 產(chǎn)生用于 d/a 轉(zhuǎn)換的信號(hào) 標(biāo)準(zhǔn)頻率 在模擬狀態(tài)下，信號(hào)頻率用 hz 或者每秒周期數(shù)為單位。但是在數(shù)字系統(tǒng)中， 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 15 頁(yè) 通常使用數(shù)字頻率

34、，它是模擬頻率和采樣頻率的比值，表達(dá)式如下： 數(shù)字頻率模擬頻率/采樣頻率 這種數(shù)字頻率被稱為標(biāo)準(zhǔn)頻率，單位是周期數(shù)/采樣點(diǎn)。 有些信號(hào)發(fā)生 vi 使用輸入頻率控制量 f，它的單位和標(biāo)準(zhǔn)頻率的單位相同：周 期數(shù)/每個(gè)采樣點(diǎn)，范圍從 0 到 1，對(duì)應(yīng)實(shí)際頻率中的 0 到采樣頻率 fs 的全部頻率。 它還以 1.0 為周期，從而令標(biāo)準(zhǔn)頻率中的 1.1 與 0.1 相等。例如某個(gè)信號(hào)的采樣頻 率是奈奎斯特頻率（fs/2） ，就表示每半個(gè)周期采樣一次（也就是每個(gè)周期采樣兩 次） 。與之對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)頻率是 1/2 周期數(shù)/采樣點(diǎn)，也就是 0.5 周期數(shù)/采樣點(diǎn)。標(biāo) 準(zhǔn)頻率的倒數(shù) 1/f 表示一個(gè)周期內(nèi)采樣的

35、次數(shù)。 如果你所使用的 vi 需要以標(biāo)準(zhǔn)頻率作為輸入，就必須把頻率單位轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn) 單位：周期數(shù)/采樣點(diǎn)。 3.2數(shù)字信號(hào)處理 3.2.1fft 變換變換 信號(hào)的時(shí)域顯示（采樣點(diǎn)的幅值）可以通過(guò)離散傅立葉變換（dft）的方法轉(zhuǎn) 換為頻域顯示。為了快速計(jì)算 dft，通常采用一種快速傅立葉變換(fft)的方法。當(dāng) 信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)是 2 的冪時(shí)，就可以采用這種方法。 fft 的輸出都是雙邊的，它同時(shí)顯示了正負(fù)頻率的信息。通過(guò)只使用一半 fft 輸出采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換成單邊 fft。fft 的采樣點(diǎn)之間的頻率間隔是 fs/n，這里 fs 是采樣 頻率。 analyze 庫(kù)中有兩個(gè)可以進(jìn)行 fft 的 vi，分別

36、是 real fft vi 和 complex fft vi。 這兩個(gè) vi 之間的區(qū)別在于，前者用于計(jì)算實(shí)數(shù)信號(hào)的 fft，而后者用于計(jì)算復(fù) 數(shù)信號(hào)的 fft。它們的輸出都是復(fù)數(shù)。 大多數(shù)實(shí)際采集的信號(hào)都是實(shí)數(shù)，因此對(duì)于多數(shù)應(yīng)用都使用 real fft vi 。當(dāng) 然也可以通過(guò)設(shè)置信號(hào)的虛部為 0，使用 complex fft vi 。使用 complex fft vi 的一個(gè)實(shí)例是信號(hào)含有實(shí)部和虛部。這種信號(hào)通常出現(xiàn)在數(shù)據(jù)通信中，因?yàn)檫@時(shí)需 要用復(fù)指數(shù)調(diào)制波形。 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 16 頁(yè) 計(jì)算每個(gè) fft 顯示的頻率分量的能量的方法是對(duì)頻率分量的幅值平方。高級(jí)分 析庫(kù)中 pow

37、er spectrum vi 可以自動(dòng)計(jì)算能量頻譜。power spectrum vi 的輸出單 位是 vrms2 。但是能量頻譜不能提供任何相位信息。 fft 和能量頻譜可以用于測(cè)量靜止或者動(dòng)態(tài)信號(hào)的頻率信息。fft 提供了信號(hào) 在整個(gè)采樣期間的平均頻率信息。因此，fft 主要用于固定信號(hào)的分析（即信號(hào)在 采樣期間的頻率變化不大）或者只需要求取每個(gè)頻率分量的平均能量。 3.2.2 窗函數(shù)窗函數(shù) 計(jì)算機(jī)只能處理有限長(zhǎng)度的信號(hào)，原信號(hào) x(t)要以 t(采樣時(shí)間或采樣長(zhǎng)度)截 斷，即有限化。有限化也稱為加“矩形窗”或“不加窗” 。矩形窗將信號(hào)突然截?cái)啵?這在頻域造成很寬的附加頻率成分，這些附加頻

38、率成分在原信號(hào) x(t)中其實(shí)是不存 在的。一般將這一問(wèn)題稱為有限化帶來(lái)的泄露問(wèn)題。泄露使得原來(lái)集中在 f0 上的 能量分散到全部頻率軸上。泄露帶來(lái)許多問(wèn)題：如使頻率曲線產(chǎn)生許多“皺紋” （ripple） ，較大的皺紋可能與小的共振峰值混淆；如信號(hào)為兩幅值一大一小頻 率很接近的正弦波合成，幅值較小的一個(gè)信號(hào)可能被淹沒(méi)。f0 附近曲線過(guò)于平緩， 無(wú)法準(zhǔn)確確定 f0 的值。 為了減少泄露，人們嘗試用過(guò)渡較為緩慢的、非矩形的窗口函數(shù)。常用的窗函 數(shù)如下表所示。 窗 定 義 應(yīng) 用 矩形窗（無(wú)窗） wn=1.0 區(qū)分頻域和振幅接近的信號(hào) 瞬時(shí)信號(hào)寬度小于窗 指數(shù)形窗wn=expn*lnf/n-1 f=

39、終值 瞬時(shí)信號(hào)寬度大于窗 海寧窗 wn=0.5cos(2n/n) 瞬時(shí)信號(hào)寬度大于窗普通目 的的應(yīng)用 海明窗 wn=0.54-0.46cos(2n/n) 聲音處理 平頂窗wn=0.2810639- 0.5208972cos(2n/n) +0.1980399cos(2n/n) 分析無(wú)精確參照物且要求精 確測(cè)量的信號(hào) kaiser-bessel 窗 wn=i() 區(qū)分頻率接近而形狀不同的 信號(hào) 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 三角形窗wn=1-（2n-n）/n無(wú)特殊應(yīng)用 在實(shí)際應(yīng)用中如何選擇窗函數(shù)一般說(shuō)來(lái)是要仔細(xì)分析信號(hào)的特征以及最終你希 望達(dá)到的目的，并經(jīng)反復(fù)調(diào)試。窗函數(shù)有利有弊，使用不當(dāng)

40、還會(huì)帶來(lái)壞處。使用窗 函數(shù)的原因很多，例如： 規(guī)定測(cè)量的持續(xù)時(shí)間。 減少頻譜泄漏。 從頻率接近的信號(hào)中分離出幅值不同的信號(hào)。 3.3諧波失真與頻譜分析諧波失真與頻譜分析 當(dāng)一個(gè)含有單一頻率(比如 f1)的信號(hào) x(t)通過(guò)一個(gè)非線性系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的輸 出不僅包含輸入信號(hào)的頻率（f1） ，而且包含諧波分量（f2=2f1,f3=3f1,f4=4f1 等 等） ，諧波的數(shù)量以及它們對(duì)應(yīng)的幅值大小取決于系統(tǒng)的非線性程度。電網(wǎng)中的諧 波是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。 下面的一個(gè)非線性系統(tǒng)的例子是輸出 y(t)是輸入 x(t)的立方。假如輸入信號(hào)： )cos()(wttx (3-1) 則輸出： )3cos()cos

41、(25 . 0 )cos(5 . 0)( 3 wtwtwttx 因此，輸出不僅含有基波頻率 w，而且還有三次諧波的頻率 3w。 諧波失真的總量 為了決定一個(gè)系統(tǒng)引入非線性失真的大小，需要得到系統(tǒng)引入的諧波分量的幅 值和基波的幅值的關(guān)系。諧波失真是諧波分量的幅值和基波幅值的相對(duì)量。假如基 波的幅值是 a1，而二次諧波的幅值是 a2，三次諧波的幅值是 a3，四次諧波的幅值 是 a4。 。 。 。 。 。n 次諧波的幅值是 an，總的諧波失真（thd）為： 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 18 頁(yè) 1 22 3 2 2 . a aaa n thd 用百分?jǐn)?shù)表示的諧波失真（%thd）為： 3.3.1 數(shù)字

42、濾波數(shù)字濾波 模擬濾波器設(shè)計(jì)是電子設(shè)計(jì)中最重要的部分之一。盡管很多參考書(shū)都提供了簡(jiǎn) 單可靠的模擬濾波器示例，但是濾波器的設(shè)計(jì)通常還是需要專家來(lái)完成，因?yàn)檫@項(xiàng) 工作需要較高深的數(shù)學(xué)知識(shí)和對(duì)系統(tǒng)與濾波器之間的關(guān)系有深入的了解。 現(xiàn)代的數(shù)字采樣和信號(hào)處理技術(shù)已經(jīng)可以取代模擬濾波器，尤其在一些需要靈 活性和編程能力的領(lǐng)域中，例如音頻、通訊、地球物理和醫(yī)療監(jiān)控技術(shù)。 與模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器具有下列優(yōu)點(diǎn)： 可以用軟件編程 穩(wěn)定性高，可預(yù)測(cè) 不會(huì)因溫度、濕度的影響產(chǎn)生誤差，不需要精度組件 很高的性能價(jià)格比 在 labview 中可以用數(shù)字濾波器控制濾波器順序、截止頻率、脈沖個(gè)數(shù)和阻帶 衰減等參數(shù)。 本

43、節(jié)所涉及到的數(shù)字濾波器都符合虛擬儀器的使用方法。它們可以處理所有的 設(shè)計(jì)問(wèn)題、計(jì)算、內(nèi)存管理，并在內(nèi)部執(zhí)行實(shí)際的數(shù)字濾波功能。這樣您無(wú)需成為 一個(gè)數(shù)字濾波器或者數(shù)字濾波的專家就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 采樣理論指出，只要采樣頻率是信號(hào)最高頻率的兩倍以上就可以根據(jù)離散的、 等分的樣本還原一個(gè)時(shí)域連續(xù)的信號(hào)。假設(shè)對(duì)信號(hào)以t 為時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，并 且不丟失任何信息，參數(shù) t 是采樣間隔。 可以根據(jù)采樣間隔計(jì)算出采樣頻率 根據(jù)上面的公式和采樣理論可以知道，信號(hào)系統(tǒng)的最高頻率可以表示為： 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 19 頁(yè) 系統(tǒng)所能處理的最高頻率是恩奎斯特頻率。這同樣適用于數(shù)字濾波器。例如， 如果采樣間

44、隔是 0.001 秒，那么采樣頻率是 系統(tǒng)所能處理的最高頻率是 下面幾種濾波操作都基于濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)： 平滑窗口 無(wú)限沖激響應(yīng)（iir）或者遞歸數(shù)字濾波器 有限沖激響應(yīng)（fir）或者非遞歸數(shù)字濾波器 非線性濾波器 很多情況下通帶的增益在均值附近稍微發(fā)生變化是容許的。通帶的這種變化被 稱為通帶波動(dòng)（passband ripple） ，也就是實(shí)際增益與理想增益之間的差值。在實(shí) 際使用中阻帶衰減（stopband attenuation）也不可能無(wú)限接近 0，您必須指定一 個(gè)符合需要的衰減值。通帶波動(dòng)和阻帶衰減都使用分貝或者 db 為單位，定義是： 其中 log10 表示基值 10 的對(duì)數(shù)，而 ai

45、(f) and a0(f) 分別是頻率在濾波前后 的幅值。例如，對(duì)于0.02 db 的通帶波動(dòng)，表達(dá)式是： 這表明輸入輸出的幅值非常接近。 如果阻帶衰減為60 db ，那么可以得到： 這表明輸出幅值是輸入幅值的 1/1000。 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 衰減值通常用不帶負(fù)號(hào)的分貝為單位，但是默認(rèn)為負(fù)值。 3.3.2 iir 和和 fir 濾波器濾波器 另外一種濾波器分類方法是根據(jù)它們的沖激響應(yīng)的類型。濾波器對(duì)于輸入的沖 激信號(hào)（x0 = 1 且對(duì)于所有 i0，xi = 0）的響應(yīng)叫做濾波器的沖激響應(yīng) （impulse response） ，如下圖所示。沖激響應(yīng)的傅立葉變換被稱為濾波

46、器的頻率 響應(yīng)（frequency response） 。根據(jù)濾波器的頻率響應(yīng)可以求出濾波器在不同頻率 下的輸出。換句話說(shuō)，根據(jù)它可以求出濾波器在不同頻率時(shí)的增益值。對(duì)于理想濾 波器，通頻帶的增益應(yīng)當(dāng)為 1，阻帶的增益應(yīng)當(dāng)為 0。所以，通頻帶的所有頻率都 被輸出，而阻帶的所有頻率都不被輸出。 如果濾波器的沖激響應(yīng)在一定時(shí)間之后衰減為 0，那么這個(gè)濾波器被稱為有限 沖激響應(yīng)（fir）濾波器。但是，如果沖激響應(yīng)一直保持，那么這個(gè)濾波器被稱為 無(wú)限沖激響應(yīng)濾波器（iir） 。沖激響應(yīng)是否有限（即濾波器是 iir 還是 fir）取決 于濾波器的輸出的計(jì)算方法。 iir 濾波器和 fir 濾波器之間最基

47、本的差別是，對(duì)于 iir 濾波器，輸出只取決 于當(dāng)前和以前的輸入值，而對(duì)于 fir 濾波器，輸出不僅取決于當(dāng)前和以前的輸入值， 還取決于以前的輸出值。簡(jiǎn)單地說(shuō)，fir 濾波器需要使用遞歸算法。 iir 濾波器的缺點(diǎn)是它的相位響應(yīng)是非線形的。在不需要相位信息的情況下， 例如簡(jiǎn)單的信號(hào)監(jiān)控，那么 iir 濾波器就符合需要。而對(duì)于那些需要線形相位響應(yīng) 的情況，應(yīng)當(dāng)使用 fir 濾波器。但是，iir 濾波器的遞歸性增大了它的設(shè)計(jì)與執(zhí)行 的難度。 因?yàn)闉V波器的初始狀態(tài)是 0（負(fù)指數(shù)是 0） ，所以在到達(dá)穩(wěn)態(tài)之前會(huì)出現(xiàn)與濾波 器階數(shù)相對(duì)應(yīng)的過(guò)渡過(guò)程。對(duì)于低通和高通濾波器，過(guò)渡過(guò)程或者延遲的持續(xù)時(shí)間 宿遷學(xué)

48、院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) 等于濾波器的階數(shù)。 可以通過(guò)啟動(dòng)靜止內(nèi)存消除連續(xù)調(diào)用中的過(guò)渡過(guò)程，方法是將 vi 的 init/cont 控制對(duì)象設(shè)置為 ture（連續(xù)濾波） 。 對(duì)數(shù)字濾波器的詳細(xì)討論不是本書(shū)的內(nèi)容，讀者可參閱有關(guān)數(shù)字信號(hào)處理的書(shū) 籍，下面我們具一個(gè)簡(jiǎn)單的例子說(shuō)明在 labview 中如何使用數(shù)字濾波器。 3.3.3 曲線擬合曲線擬合 曲線擬合（curve fitting）技術(shù)用于從一組數(shù)據(jù)中提取曲線參數(shù)或者系數(shù)， 以得到這組數(shù)據(jù)的函數(shù)表達(dá)式。 通常，對(duì)于每種指定類型的曲線擬合，如果沒(méi)有特殊說(shuō)明，都存在兩種 vi 可 以使用。一種只返回?cái)?shù)據(jù)，用于對(duì)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步操作，另一種不僅

49、返回系數(shù)，還可 以得到對(duì)應(yīng)的擬合曲線和均方差（mse） 。 labview 的分析軟件庫(kù)提供了多種線性和非線性的曲線擬合算法，例如線性擬 合、指數(shù)擬合、通用多項(xiàng)式擬合、非線性 levenberg-marquardt 擬合等。 曲線擬合的實(shí)際應(yīng)用很廣泛。例如： 消除測(cè)量噪聲 填充丟失的采樣點(diǎn)（例如，如果一個(gè)或者多個(gè)采樣點(diǎn)丟失或者記錄不正確） 插值（對(duì)采樣點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)的估計(jì)；例如在采樣點(diǎn)之間的時(shí)間差距不夠大時(shí)） 外推（對(duì)采樣范圍之外的數(shù)據(jù)進(jìn)行估計(jì)，例如在需要在試驗(yàn)以后或者以后的數(shù) 值時(shí)） 數(shù)據(jù)的差分（例如在需要知道采樣點(diǎn)之間的偏移時(shí)，可以用一個(gè)多項(xiàng)式擬合離 散數(shù)據(jù)，而得到的多項(xiàng)式可能不同） 數(shù)據(jù)的

50、合成（例如在需要找出曲線下面的區(qū)域，同時(shí)又只知道這個(gè)曲線的若干 個(gè)離散采樣點(diǎn)的時(shí)候） 求解某個(gè)基于離散數(shù)據(jù)的對(duì)象的速度軌跡（一階導(dǎo)數(shù)）和加速度軌跡（二階導(dǎo) 數(shù)） 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 22 頁(yè) 四 虛擬示波器的原理 4.1 低頻信號(hào)發(fā)生器及其應(yīng)用低頻信號(hào)發(fā)生器及其應(yīng)用 凡是產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)的儀器，統(tǒng)稱為信號(hào)源，也稱為信號(hào)發(fā)生器，它用于產(chǎn)生被 測(cè)電路所需特定參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)。 在測(cè)試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí)，為測(cè)定電路的一些電參量，如測(cè)量頻 率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號(hào)，以 模擬在實(shí)際工作中使用的待測(cè)設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)要求進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測(cè)量時(shí)，

51、需使用振幅、頻率已知的正弦信號(hào)源。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時(shí)，又需使用前沿時(shí) 間、脈沖寬度和重復(fù)周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號(hào)源輸出信號(hào)的參數(shù)，如 頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)整，有很好的穩(wěn)定性， 有輸出指示。 信號(hào)源可以根據(jù)輸出波形的不同，劃分為正弦波信號(hào)發(fā)生器、矩形脈沖信號(hào)發(fā) 生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。正弦信號(hào)是使用最廣泛的測(cè)試 信號(hào)。這是因?yàn)楫a(chǎn)生正弦信號(hào)的方法比較簡(jiǎn)單，而且用正弦信號(hào)測(cè)量比較方便。正 弦信號(hào)源又可以根據(jù)工作頻率范圍的不同劃分為若干種。 4.2 低頻信號(hào)發(fā)生器的工作原理低頻信號(hào)發(fā)生器的工作原理 低頻信號(hào)發(fā)生器用來(lái)產(chǎn)生頻率為 20

52、hz200khz 的正弦信號(hào)。除具有電壓輸 出外，有的還有功率輸出。所以用途十分廣泛，可用于測(cè)試或檢修各種電子儀器設(shè) 備中的低頻放大器的頻率特性、增益、通頻帶，也可用作高頻信號(hào)發(fā)生器的外調(diào)制 信號(hào)源。另外，在校準(zhǔn)電子電壓表時(shí)，它可提供交流信號(hào)電壓。 低頻信號(hào)發(fā)生器的原理：系統(tǒng)包括主振級(jí)、主振輸出調(diào)節(jié)電位器、電壓放大器、 輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器（輸出變壓器）和指示電壓表。 主振級(jí)產(chǎn)生低頻正弦振蕩信號(hào)，經(jīng)電壓放大器放大，達(dá)到電壓輸出幅度的要求，經(jīng) 輸出衰減器可直接輸出電壓，用主振輸出調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 23 頁(yè) 五信號(hào)發(fā)生器的 vi 設(shè)計(jì) 5.1

53、 信號(hào)發(fā)生器的前面板信號(hào)發(fā)生器的前面板 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 24 頁(yè) 5.2 信號(hào)發(fā)生器的程序框圖信號(hào)發(fā)生器的程序框圖 5.3 信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn)信號(hào)發(fā)生器實(shí)驗(yàn) 1.信號(hào)為正弦波，幅值為 5，偏移量為 0，頻率為 10，相位為 18.37,占空比 50。 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 25 頁(yè) 2. 信號(hào)為三角波，幅值為 5，偏移量為 0，頻率為 10，相位為 18.37，占空比 50 3. 信號(hào)為矩形波，幅值為 5，偏移量為 0，頻率為 10，相位為 18.37，方波占空比為 50 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 26 頁(yè) 4. 信號(hào)為齒形波，幅值為 5，偏移量為 0，頻率為 10，相位為 1

54、8.37，占空比 50， 六 虛擬示波器的原理 示波器是利用電子射線的偏轉(zhuǎn)，來(lái)顯示電信號(hào)瞬時(shí)值圖像（常成為時(shí)間波形） 的一種儀器。它能快速的把肉眼不能直接看見(jiàn)的電信號(hào)的時(shí)變規(guī)律，以可見(jiàn)的形式， 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 27 頁(yè) 形象的顯示出來(lái)。目前，示波器在信號(hào)測(cè)試、信號(hào)比較、邏輯分析等領(lǐng)域得到了廣 泛的應(yīng)用。 6.1 示波器波形顯示原理示波器波形顯示原理 在示波器的熒光屏上，顯示電壓波形的原理如下：被測(cè)電壓是時(shí)間的函數(shù)，在 直角坐標(biāo)系統(tǒng)中，可以用的曲線表示。示波器的兩副偏轉(zhuǎn)板使電子束在兩 ( ) x uf t 個(gè)互相垂直的方向偏轉(zhuǎn)，這兩個(gè)方向可以看成是坐標(biāo)軸。因此，要在管子的熒光屏 上顯

55、示被測(cè)電壓的波形，就必須使射線沿水平方向的偏轉(zhuǎn)同時(shí)間成正比，而在垂直 方向同被測(cè)電壓成正比（每一瞬間） 。 所以，鋸齒波電壓加到水平偏轉(zhuǎn)板上，它迫使射線以恒定的速度從左向右沿水 平方向偏轉(zhuǎn)。并且很快的返回到起始位置。射線沿水平軸經(jīng)過(guò)的距離跟時(shí)間成正比。 被測(cè)電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)板上，因而，每一瞬間射線的位置單值的對(duì)應(yīng)于這一瞬 間被測(cè)信號(hào)的值。在鋸齒波電壓作用期間，射線就繪出了被測(cè)信號(hào)的曲線。 6.2 通用示波器的組成部分通用示波器的組成部分 現(xiàn)在示波器的簡(jiǎn)化方框圖如圖 6-1 所示。它主要由主機(jī)、y 軸系統(tǒng)、x 軸系統(tǒng) 三部分組成。 圖 6-1 示波器的簡(jiǎn)化方框圖 被測(cè)信號(hào)接到“y”輸入端，經(jīng) y

56、 軸衰減器適當(dāng)衰減后送至 y1 放大器（前置 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 28 頁(yè) 放大） ，推挽輸出信號(hào)和。經(jīng)延遲級(jí)延遲 r1 時(shí)間，到 y2 放大器。放大后產(chǎn)生 足夠大的信號(hào)和，加到示波管的 y 軸偏轉(zhuǎn)板上。為了在熒屏上顯示出完整的穩(wěn) 定波形，將 y 軸的被測(cè)信號(hào)引入 x 軸系統(tǒng)的觸發(fā)電路，在引入信號(hào)的正（或者負(fù)） 極性的某一電平值產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，啟動(dòng)鋸齒波掃描電路（時(shí)基發(fā)生器） ，產(chǎn)生掃 描電壓。由于從觸發(fā)到啟動(dòng)掃描有一時(shí)間延遲 r2，為了保證 y 軸信號(hào)到達(dá)熒光屏 之前 x 軸開(kāi)始掃描，y 軸的延遲時(shí)間 r1 應(yīng)稍大于 x 軸延遲時(shí)間 r2。掃描電壓經(jīng) x 軸放大器放大，產(chǎn)生推挽輸出和，

57、加到示波管的 x 軸偏轉(zhuǎn)板上。z 軸系統(tǒng)用 于放大掃描電壓正程，并且變成正向矩形波，送到示波管柵極。這使得在掃描正程 顯示的波形有某一固定輝度，而在掃描回程進(jìn)行抹跡。 1 主機(jī) 主機(jī)部分包括示波管、z 信道、電源和校準(zhǔn)器等。 （1）陰極射線管（crt）簡(jiǎn)稱示波管，是示波器的核心。它將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。下圖 6-2 是示波管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖 6-2 示波管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 （2）z 信道又稱調(diào)亮信道，它將調(diào)亮電路送來(lái)的調(diào)亮信號(hào)送到示波管的控制 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 29 頁(yè) 柵極，使示波管在掃描正程時(shí)才出現(xiàn)射線的光跡。顯然，調(diào)亮信號(hào)應(yīng)該是一個(gè)持續(xù) 時(shí)間同掃描正程相等的正方波電壓。 （3）示波

58、器的電源分為高壓電源和低壓電源兩種。低壓電源常采用典型的串 聯(lián)調(diào)整式溫壓電路。現(xiàn)代示波器的高壓電源大部分采用圖 6-3 所示直流-直流變換 器方案。 圖 6-3 直流直流變換器 它由高頻振蕩器產(chǎn)生近于方波的高頻振蕩，再用變壓器把它升壓到所需的電壓 值，經(jīng)過(guò)整流和濾波，得到所需的直流電壓。這種用高頻產(chǎn)生高壓的方法，其優(yōu)點(diǎn) 是：變壓器和濾波器可以做的較小；紋波電壓和噪聲都比較低；振蕩器的負(fù)載一旦 加重，能自動(dòng)停振，有自動(dòng)保護(hù)的作用。 （4）示波器主機(jī)中有一個(gè)固定頻率和幅度，并具有較高準(zhǔn)確度的內(nèi)部信號(hào)源。 它可以是正弦波、方波或脈沖波，用于自校水平系統(tǒng)掃速和垂直系統(tǒng)靈敏度。 2 y 軸系統(tǒng) y 信道

59、是被測(cè)信號(hào)通過(guò)的通道，因此，它需要足夠?qū)挼念l寬，帶內(nèi)的幅-頻特性 應(yīng)平坦，相-頻特性為直線。y 信道主要包括探極、衰減器、倒相放大器、前置放大 器、延遲線、輸出放大器等幾個(gè)部分。 （1）示波器的探極是連接在外部的一個(gè)輸入電路部件，它的基本作用是便于 在被測(cè)源上探測(cè)信號(hào)和提高示波器的輸入阻抗，從而展寬示波器的實(shí)際頻帶。 （2）示波器的被測(cè)信號(hào)幅度變化范圍寬廣，小到幾十毫伏，大到幾百伏。為 了保證垂直放大器正常工作，對(duì)大信號(hào)需要進(jìn)行衰減。為使信號(hào)不畸變，通常采用 電阻電容分壓器，為了不影響被測(cè)信號(hào)電路原有工作狀態(tài)，衰減器的阻抗還必須足 夠高。 （3）由于示波管垂直偏轉(zhuǎn)板需要對(duì)稱電壓，即要求 y 軸

60、要對(duì)稱輸出，因此在 前置放大器中設(shè)置倒相電路，將單端輸入信號(hào)變成對(duì)稱輸入信號(hào)。 （4）前置放大器常用來(lái)將單端輸入信號(hào)變成雙端對(duì)稱信號(hào)輸出。它的增益要 宿遷學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 30 頁(yè) 求不高，但是頻帶寬度要比整體的頻響指標(biāo)值還要寬廣，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)各種控制功 能、增益微調(diào)、增益擴(kuò)展、變換極性和垂直移位等。 （5）示波器的水平掃描鋸齒波信號(hào)起始點(diǎn)與觸發(fā)信號(hào)之間有一段延遲時(shí)間， 為了觀測(cè)脈沖的前沿，就必須在 y 軸放大器中插入延遲線，使被測(cè)信號(hào)起點(diǎn)和掃描 信號(hào)起點(diǎn)同步。為此，延遲線在 y 軸的頻帶寬度內(nèi)，要能無(wú)失真的滯后一段時(shí)候傳 輸被測(cè)信號(hào)，滯后時(shí)間稱為延遲線的延遲時(shí)間（td） 。示波器的延遲